(57)【要約】【課題】タービンロータホイール（１０５）を熱絶縁する。【解決手段】タービンロータホイール（１０５）は、それぞれのタービンロータブレード（１１０）を支持する１対のブレード支柱（１２５）つまりシャンクを含み、それぞれのブレード支柱（１２５）間にシャンク空洞（１４５）が形成される。タービンロータホイール（１０５）を熱絶縁するために、シャンク空洞（１４５）を上方領域（３４５）及び下方領域（３５５）に仕切るように機能可能であるシール（３５０）を準備する（７０５）。加えて、このシール（３５０）は、シャンク空洞（１４５）内に挿入して、該シャンク空洞（１４５）を上方領域（３４５）及び下方領域（３５５）に仕切ることができる。冷却空気流が上方領域（３４５）及び下方領域（３５５）に分割され、下方領域（３５５）を上方領域（３４５）よりも低い温度に維持する。【選択図】      図３
2010255628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれのタービンロータブレード（１１０）を支持する１対のブレード支柱（１２５）と前記それぞれのブレード支柱（１２５）間の空洞（１４５）とを含むタービンロータホイール（１０５）を熱絶縁する方法（７００）であって、
前記空洞（１４５）を上方領域及び下方領域に仕切るように機能可能である少なくとも１つのシール（３５０）を準備するステップ（７０５）と、
前記空洞（１４５）内に前記少なくとも１つのシールを挿入して、該空洞（１４５）内への冷却空気流が少なくとも前記下方領域（３５５）及び少なくとも前記上方領域（３４５）間に分割されかつ前記下方領域（３５５）が前記上方領域（３４５）よりも低い温度に維持されるようにするステップ（７１０）と、を含む、
方法（７００）。
【請求項２】
冷却空気の供給源を設けるステップ（７１５）と、
前記冷却空気により前記空洞（１４５）を加圧して、該空洞内への高温ガス流を減少させるようにするステップ（７２０）と、
をさらに含む、請求項１記載の方法（７００）。
【請求項３】
前記ブレード支柱（１２５）の一部分を覆うように機能可能でありかつその一部分の周りで前記空洞（１４５）内に前記冷却空気流を導くようにさらに機能可能である少なくとも１つのカバープレート（１６５）を設けるステップをさらに含む、請求項１記載の方法（７００）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのシール（３５０）が、ピン（５０５）、シェルフシール（５３０）、プレートシール（５５５）、或いはプレートシール（５５５）及びテール組立体（５８０）の少なくとも１つを含む、請求項１記載の方法（７００）。
【請求項５】
タービンロータホイール（１０５）を熱絶縁するためのシステム（３００）であって、
複数のタービンロータブレード（１１０）と、
前記タービンロータホイール（１０５）に取付けられ、前記１つ又はそれ以上のタービンロータブレード（１１０）を支持するように機能可能であり、かつそれらのそれぞれの間に空洞（１４５）が形成された複数のブレード支柱（１２５）と、
前記空洞（１４５）内に取付けられ、かつ該空洞を上方領域（３４５）及び下方領域（３５５）に仕切るように機能可能である少なくとも１つのシール（３５０）と、を含み、
前記空洞（１４５）内への冷却空気流が、少なくとも前記下方領域（３５５）及び少なくとも前記上方領域（３４５）間に分割されるようになり、また
前記下方領域（３５５）が、前記上方領域（３４５）よりも低い温度に維持されるようになる、
システム（３００）。
【請求項６】
前記少なくとも1つのシール（３５０）が、前記空洞（１４５）内に嵌合するように機能可能であるピン（５０５）を含み、
前記ブレード支柱（１２５）が、前記ピン（５０５）を受けるようになった少なくとも１つの輪郭を備えるようにさらに機能可能であり、また
前記ピン（５０５）が、前記少なくとも１つの輪郭の上方の前記空洞（１４５）領域を前記上方領域にまた該少なくとも１つの輪郭の下方の該領域を前記下方領域に仕切るように機能可能である、
請求項５記載のシステム（３００）。
【請求項７】
前記少なくとも1つのシール（３５０）が、シェルフシール（５３０）を含み、
前記ブレード支柱（１２５）が、互いに近接近状態で重なり合って前記シェルフシール（５３０）を形成したフランジを備えるようにさらに機能可能であり、また
前記シェルフシール（５３０）が、前記フランジの上方の前記空洞（１４５）領域を前記上方領域にまた該フランジの下方の該領域を前記下方領域に仕切るように機能可能である、
請求項５記載のシステム（３００）。
【請求項８】
前記少なくとも1つのシール（３５０）が、前記ブレード支柱（１２５）内に嵌合するように機能可能であるプレートシール（５５５）を含み、
前記ブレード支柱（１２５）が、前記プレートシール（５５５）を受けるようになった少なくとも１つのスロットを備えるようにさらに機能可能であり、また
前記プレートシール（５５５）が、前記少なくとも１つのスロットの上方の前記空洞領域を前記上方領域にまた該少なくとも１つのスロットの下方の該領域を前記下方領域に仕切るように機能可能である、
請求項５記載のシステム（３００）。
【請求項９】
前記少なくとも1つのシール（３５０）が、前記ブレード支柱（１２５）内に嵌合するように機能可能であるプレートシール（５５５）及びテール組立体（５８０）を含み、
前記ブレード支柱（１２５）が、前記プレートシール（５５５）及びテール組立体（５８０）を受けるようになったＴ字形スロットを備えるようにさらに機能可能であり、また
前記プレートシール（５５５）及びテール組立体（５８０）が、前記Ｔ字形スロットの上方の前記空洞領域を前記上方領域にまた該Ｔ字形スロットの下方の該領域を前記下方領域に仕切るように機能可能である、
請求項５記載のシステム（３００）。
【請求項１０】
前記冷却空気により前記空洞（１４５）を加圧するように機能可能である冷却空気の供給源をさらに含み、
前記空洞内への高温ガス流が、減少するようになる、
請求項５記載のシステム（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータホイールに関し、より具体的には、タービンロータホイールを熱絶縁するためのシステム、方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンロータホイールは、ガスタービンエンジンの不可欠な要素となる可能性があるタービンの部品である。ガスタービンエンジンでは、圧縮機により燃焼器に加圧空気が供給され、燃焼器において、空気は燃料と混合され、混合気が点火されて高温燃焼ガスを発生する。それら高温燃焼ガスは、下流方向に１つ又はそれ以上のタービンロータに流れ、それらタービンロータは、高温燃焼ガスからエネルギーを取出して、圧縮機を駆動し、また発電機を駆動するか又は飛行中の航空機に動力を供給するような有用な仕事を行なう。
【０００３】
タービンロータは、タービンロータホイールの周辺部に取付けられた複数のタービンロータブレードを含むことができ、タービンロータホイールは、エンジンの中心軸線の周りで回転することができる。高温燃焼ガスが燃焼器から流出しかつタービンロータブレードを横切って流れると、タービンロータホイールは、回転し始める。そうすることで、高温燃焼ガスからのエネルギーが、変換される。これと同時に、タービンロータホイール、特に該タービンロータホイールのリム部は、高温燃焼ガスにより高温度に曝される。しかしながら、タービンロータホイールを構成するのに使用している材料は、その他のタービン構成要素とは異なっており、タービンロータホイールが耐熱性をもたない可能性がある。その結果、高温燃焼ガスの高温度がタービンロータホイールの冶金学的限界を越えて、熱応力、酸化及び構造割れを引き起こすおそれがある。
【０００４】
タービンロータホイールが過熱するのを防止するために、圧縮機から冷却空気を抽出して、タービンロータホイールと熱接触状態になっているものを含むタービンロータ組立体を囲む空間及びタービンロータ組立体内の空間を冷却することができる。しかしながら、空気をこのように抽出することは、空気を燃焼器から反らし、エンジンサイクルの効率を阻害する。この効率の損失を考えると、冷却のために燃焼器から反らす空気の量を、タービンロータホイールを付加的応力に曝すことなく最少化することが望ましい。加えて、より大型のかつより効率の良いガスタービンエンジンに対する要求は、個々の構成要素のコストを増大させることなく一層高い燃焼温度に耐えることができるタービンロータホイールを必要としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，１８９，０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、タービンロータホイールを熱絶縁するためのシステム、方法及び装置に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、上記の必要性の一部又は全てに対処することができる。本発明の一部の実施形態は、総括的に、タービンロータホイールを熱絶縁するためのシステム及び方法に関する。１つの実施形態によると、タービンロータホイールを熱絶縁する方法を提供することができ、この場合、タービンロータホイールは、それぞれのタービンロータブレードを支持する１対のブレード支柱を含み、またそれぞれのブレード支柱間には空洞を形成することができる。本方法は、空洞を上方領域及び下方領域に仕切るように機能可能である少なくとも１つのシールを準備するステップを含むことができる。さらに、本方法は、空洞内に少なくとも１つのシールを挿入して、該空洞内への冷却空気流が少なくとも下方領域及び少なくとも上方領域間に分割されかつ下方領域が上方領域よりも低い温度に維持されるようにするステップを含むことができる。
【０００８】
本発明の別の実施形態によると、タービンロータホイールを熱絶縁するためのシステムを提供することができる。本システムは、複数のブレード支柱によって支持された複数のタービンロータブレードを含み、それぞれのブレード支柱間には空洞を形成することができる。本システムはまた、空洞内に取付けられかつ該空洞を上方領域及び下方領域に仕切った少なくとも１つのシールを含むことができる。空洞を仕切ることによって、該空洞内への冷却空気流は、少なくとも下方領域及び少なくとも上方領域間に分割されて、下方領域が上方領域よりも低い温度に維持されるようになる。
【０００９】
本発明のさらに別の実施形態によると、タービンロータホイールを熱絶縁するための装置を提供することができ、この場合、タービンロータホイールは、それぞれのタービンロータブレードを支持する１対のブレード支柱を含み、またそれぞれのブレード支柱間には空洞が存在することができる。本装置は、空洞内に取付けられかつ該空洞を上方領域及び下方領域に仕切って、該空洞内への冷却空気流を下方領域及び上方領域間に分割することができるように機能可能である細長いシール部材を含むことができる。このようにして、下方領域は、上方領域よりも低い温度に維持することができる。
【００１０】
本発明のその他の実施形態及び態様は、添付図面と関連させてなした以下の記述から明らかになるであろう。
【００１１】
従って、本発明を一般的な用語で説明してきたが、次に添付図面を参照することにするが、これら図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】先行技術に見られるタービンロータホイールを３次元で示した図。
【図２】先行技術に見られるタービンロータホイールを断面で示した図。
【図３】本発明の実施形態による、タービンロータホイールを熱絶縁するための例示的なシステムを示す図。
【図４】本発明の実施形態による、タービンロータホイールを熱絶縁するための例示的なシステムの断面図。
【図５Ａ】タービンロータホイールのための絶縁シールの実施例としての実施形態を示す図。
【図５Ｂ】タービンロータホイールのための絶縁シールの実施例としての実施形態を示す図。
【図５Ｃ】タービンロータホイールのための絶縁シールの実施例としての実施形態を示す図。
【図５Ｄ】タービンロータホイールのための絶縁シールの実施例としての実施形態を示す図。
【図６】本発明の１つの実施形態による、タービンロータホイールを熱絶縁するための例示的なシステムの断面図。
【図７】本発明の実施形態による、タービンロータホイールを熱絶縁する例示的な方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に以下において、本発明の実施例としての実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明をより完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施することができ、また本明細書に記載した実施例としての実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示が当業者に発明の技術的範囲を伝えるようにするために提示している。同じ参照符号は、図面全体を通して同様な要素を指している。
【００１４】
図１は、先行技術のシステム１００の３次元図を示している。システム１００は、ガスタービンエンジン内で使用するように構成されたタービンロータホイール１０５を含む。ガスタービンエンジンは、単一のシャフト上に配置された圧縮機及びタービンを含むことができる。圧縮機は、燃焼器に加圧空気を供給し、燃焼器は、空気を燃料と混合しかつ混合気を燃焼させて高温燃焼ガスを発生する。これら高温燃焼ガスは、タービンを横切って流れて、タービン及びシャフトを回転させる。このように、タービンは、高温燃焼ガス中のエネルギーを機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーは、発電機で使用して電気を発生させるようにすることができ、航空機エンジンのターボファンで使用して推力を発生させるようにすることができ、或いは当技術分野において公知のその他の用途のためにその他のシステムで使用することができる。
【００１５】
タービンは、その各々が複数のタービンロータブレードを支持した複数のタービンロータホイールを含むことができる。図１に示すように、タービンロータホイール１０５は、ガスタービンエンジンの長手方向軸線の周りで回転することができる環状構成要素である。タービンロータホイール１０５は、半径方向に主ガスストリーム内に延びる複数のタービンロータブレード１１０を支持する。
【００１６】
タービンロータブレード１１０は、翼形部１１５、ブレードプラットフォーム１２０、シャンク１２５及びダブテール１３０を含む。翼形部１１５は、前縁及び後縁において互いに連結されたほぼ凹面形の正圧側面並びにほぼ凸面形の負圧側面を有する。翼形部１１５は、タービンロータブレードプラットフォーム１２０から先端（図示せず）まで半径方向外向きに延びる。
【００１７】
翼形部１１５及びシャンク１２５の接合部に形成されたブレードプラットフォーム１２０は、高温燃焼ガスストリームの半径方向内側境界面を形成する。ブレードプラットフォーム１２０は、高温燃焼ガスのための内側境界面の一部分を形成した半径方向外表面１２１と反対側の半径方向内表面１２２とを含む。プラットフォーム表面は、両側縁部から円周方向に延びかつ前縁部１２４及び後縁部１２６間で軸方向に延びる。
【００１８】
ブレード支柱とも呼ばれるシャンク１２５が、ブレードプラットフォーム１２０から支持ダブテール１３０までの半径方向移行部を構成して、ブレードプラットフォーム１２０からダブテール１３０まで半径方向内向きに延びる。ダブテール１３０もまた、シャンク１２５から半径方向内向きに延び、かつタービンロータブレード１１０をタービンロータホイール１０５に結合する。タービンロータホイール１０５は、複数の円周方向に交互になったダブテールスロット１３５及び支柱１４０を含み、各支柱１４０は、隣接するスロット１３５によって形成され、かつタービンロータホイール１０５の周辺部の周りに配置される。各スロット１３５は、タービンロータブレード１１０からのダブテール１３０を受けるようになっている。
【００１９】
シャンク１２５もまた、上流側壁及び下流側壁（図示せず）において互いに連結されたほぼ凹面形の側壁並びにほぼ凸面形の側壁を含む。従って、凹面形側壁は、上流及び下流側壁に対して凹設されて、ロータ組立体内に複数のタービンロータブレード１１０を結合した時に隣り合うロータブレードシャンク１２５間にシャンク空洞１４５が形成されるようになる。シャンク空洞１４５に加えて、タービンロータホイール１０５に対して複数のタービンロータブレード１１０を結合した時に、円周方向に隣り合うタービンロータブレード１１０間に所定のプラットフォームギャップ１５５が形成される。シャンク１２５におけるそれらの近接近と相互連結状態の欠如とによりそうでなければ生じることになる隣り合うタービンロータブレード１１０内の応力並びにそれらタービンロータブレード１１０間の衝突を制御するために、ダンパピン１５０を使用することができる。ダンパピン１５０は、シャンク１２５内に機械加工したスロット内に位置し、タービンロータブレード１１０を相互連結することによって、隣り合うタービンロータブレード１１０内の応力及びそれらの間の衝突の発生可能性を減少させることができる。
【００２０】
高温燃焼ガスがエネルギー変換のためにタービンロータブレード１１０を横切って流れると、タービンロータホイール１０５は、対流、伝導及び放射加熱によってその冶金学的限界を越えて加熱される可能性がある。例えば、伝導加熱は、高温燃焼ガスがタービンロータブレード１１０を横切って流れる時に起こる。これらの高温ガスにより、タービンロータブレード１１０が加熱されて該タービンロータブレード１１０の作動温度が上昇して、タービンロータホイール１０５と接触状態になっているタービンロータブレード１１０は、高温燃焼ガスからタービンロータホイール１０５に熱を伝導するようになる。対流加熱は、高温燃焼ガスがブレードプラットフォーム１２０を横切って流れる時に起こる。この空気がプラットフォーム１２及びプラットフォームギャップ１５５におけるエアギャップを横切って流れる場合には、高温空気は、シャンク空洞１４５内に漏洩する可能性がある。従って、この高温空気の移動により、シャンク空洞１４５、ホイール支柱１４０及びタービンロータホイール１０５の頂部の温度が上昇する。さらには、高温空気がブレードプラットフォーム１２０を横切って流れる時に、半径方向外表面１２１の温度は、大量の熱が半径方向内表面１２２からシャンク空洞１４５内に放射されるようになる温度まで上昇する。
【００２１】
タービンロータブレード１１０の構成要素が耐えなくてはならないそれらの冶金学的熱露出限界及び量がある場合には、タービンロータブレード１１０は、内部冷却空洞を備えるようにすることができる。この内部冷却空洞は、少なくとも部分的には翼形部１１５、ブレードプラットフォーム１２０、シャンク１２５及びダブテール１３０で形成することができる。ガスタービン用途では、冷却空気は、圧縮機から抽出しかつこの内部冷却空洞内で循環させることができ、或いはさらにシャンク空洞１４５を加圧するように導いて、該シャンク空洞１４５内への高温燃焼ガスの漏洩を制御することができるようにすることができる。
【００２２】
図２は、これもまた先行技術に見られるタービンロータホイール１０５の断面図２００を示している。図２において、冷却空気は、参照符号２０５及び２１０にて供給されてシャンク空洞１４５を加圧する。シャンク空洞１４５の周りでの、特にプラットフォームギャップ１５５を通しての空気漏洩の故に、シャンク空洞１４５を加圧しかつ冷却するためには、大量の冷却空気が必要となる。この冷却空気漏洩は、参照符号２１５、２２０、２２５及び２３０のホイール空間領域内の周囲空気及び参照符号２１６にてシャンク空洞１４５を通って軸方向に流れる空気の温度を低下させることができるが、これらの領域内の空気は、依然としてかなり温かい。従って、高温空気流がプラットフォームギャップ１５５を通って参照符号２６０、２６５及び２７０にてシャンク空洞１４５を横切って、また参照符号２７５、２８０及び２８５にてシャンク空洞１４５の周りを流れ続ける時に、冷却空気は、その領域内の高温空気の全てを必ずしも冷却することができない。その結果、大量の熱が、図２に上昇したノード２９０で示したように、タービンロータホイール１０５の頂部に伝達される。
【００２３】
プラットフォームギャップ１５５を通ってかつシャンク空洞１４５を横切って流れる高温空気の量を減少させるために、プラットフォームギャップ１５５をシールすることができる。例えば、再び図１を参照すると、冷却空気がない状態で又は冷却空気と組合せた状態で、シール本体１６０を使用して、空気制御するようにすることができる。シール本体１６０は、カバープレート１６５と、該シール本体１６０を支柱１４０の頂上にかつ隣り合うタービンロータホイール１０５間に取付けるための取付け組立体１６６とを含む。シール本体１６０は、軸方向シール作用を行なって、かつプラットフォームギャップ１５５を介してシャンク空洞１４５内への高温燃焼ガスの幾らかの漏洩を阻止する。シャンク空洞１４５が冷却空気により加圧された時に、シール本体１６０は、シャンク空洞１４５及びダブテール１３０間に冷却空気を送るようにすることができる。
【００２４】
しかしながら、たとえシール本体１６０を使用した場合でも、シール本体１６０は、高温空気がシャンク空洞１４５内に漏洩するのを防止することはできない。むしろ、シール本体１６０は、そのような漏洩を減少させることができるだけである。同時に、シール本体１６０は、タービンロータホイール１０５に質量を付加して、ホイールの回転時に不必要な物理的応力を引き起こす。それと同時に、それ自体が高温排気ガスに曝されるカバープレート１６５は、該カバープレートが高温燃焼ガスから熱を吸収しかつ次にその熱の一部分を空洞内に放射するので、シャンク空洞１４５に対する付加的な熱源になる。この漏洩及び放射の組合せは、シャンク空洞１４５の温度を実質的に上昇させ続ける。ダブテール１３０、ホイール支柱１４０及びタービンロータホイール１０５の頂部は、シャンク空洞１４５内の高温空気に曝されるので、これらの部品内に熱応力が生じて、それらの損傷に至る。そのような損傷の可能性を防止又はそうではなく最少化するために、これらの構成要素を上記の加熱作用の一部又は全てから熱絶縁することが望ましい。
【００２５】
図３は、本発明の１つの実施形態による、タービンロータホイールを熱絶縁するための例示的なシステム３００を示している。システム１００と同様に、システム３００は、翼形部１１５を備えた複数のタービンロータブレード１１０を支持したタービンロータホイールを含む。その他の同様な構成要素には、以下のものすなわち、半径方向外表面１２１及び半径方向内表面１２２を備えたブレードプラットフォーム１２０と、複数のシャンクを互いに当接させた時にシャンク空洞１４５及びプラットフォームギャップ１５５が形成されるようになるシャンク１２５と、ホイール支柱１４０間でかつスロット１３５内に嵌合するようになったダブテール１３０とが含まれる。
【００２６】
システム３００はまた、絶縁シール３５０を含む。絶縁シール３５０は、シャンク空洞１４５内に固定しかつホイール支柱１４０の僅かに上方に配置して、シャンク空洞１４５を上方領域３４５及び下方領域３５５に分割することができる。前述したように、先行技術のシステム１００では、ブレードプラットフォーム１２０を横切りかつプラットフォームギャップ１５５を通って流れる高温空気は、タービンロータホイール内に対流加熱作用を引き起こす可能性がある。シャンク空洞１４５内にかつホイール支柱１４０の僅かに上方に絶縁シール３５０を配置することによって、タービンロータホイールの頂部は、シャンク空洞１４５を通って流れる高温空気の大部分から絶縁されかつその対流加熱作用を減少させることができ、これが、本発明の実施形態に関連する少なくとも１つの技術的効果である。絶縁シール３５０はまた、先行技術のシステム１００において見られる放射作用を減少させることができる。ブレードプラットフォーム１２０を横切って流れる高温空気の結果として、ブレードプラットフォーム１２０の温度は、熱が半径方向内表面１２２からシャンク空洞１４５内に放射されるようになる温度まで上昇する。システム３００では、絶縁シール３５０が絶縁バリヤを構成し、この絶縁バリヤは、半径方向内表面１２２においてブレードプラットフォーム１２０から放射されるこの熱の少なくとも一部分を遮断することができ、これが、本発明の実施形態に関連する少なくとも１つの技術的効果である。
【００２７】
さらに、シャンク空洞１４５を上方領域３４５及び下方領域３５５に分割することによって、絶縁シール３５０は、シャンク空洞１４５の下方領域３５５内に空気のバリヤを形成することができ、この下方領域３５５内の空気は、シャンク空洞１４５の上方領域３４５内の空気温度よりも低い。このより低温の空気は、ダブテール１３０、ホイール支柱１４０及びタービンロータホイール１０５の頂部の温度を低下させることができる。例えば、この例示的な実施形態では、絶縁シール３５０は、ホイール支柱１４０の温度を約１０°Ｆ〜２０°Ｆだけ低下させることができる。これらの構成要素を囲む空気温度におけるこの低下は、これらの構成要素内に生じる熱応力を減少させることができ、これが、本発明の実施形態に関連する少なくとも１つの技術的効果である。熱応力が減少するので、これらの構成要素は、より高い物理的応力に耐えることができ、このことは、絶縁シール３５０がより小型のかつより経済的な設計を可能にすることができることを意味している。例えば、ダブテール１３０がより低い温度で作動している時には、ダブテール１３０は、より高い材料能力を有し、かつより高い応力に耐えることができる。従って、ダブテール１３０は、そが物理的応力に耐えるより大きな能力を有するので、より小型の設計に適応することができる。別の実施形態では、ダブテール１３０のサイズを維持して、より廉価な製造材料の使用に有利なようにすることができる。また、さらに別の実施形態として、より小型のかつより廉価な設計の組合せを使用することができる。
【００２８】
例示的なシステム３００では、絶縁シールは、ホイール支柱１４０の僅かに上方に配置しかつシャンク空洞１４５内に固定することができる。この例示的な設計では、絶縁シール３５０は、シャンク空洞１４５内にぴったり嵌合するように設計して、摩擦と耐熱性ファスナとの組合せを使用して絶縁シール３５０を所定の位置にて保持することができるようにすることができる。他の実施形態では、シャンク１２５は、タービンホイール支柱１４０ができたのと同様に、絶縁シール３５０のための取付け支持体を含むようにすることができる。それに代えて、シャンク１２５はまた、タービンロータホイールに取付ける場合に複数のシャンクを互いに当接させた時に、絶縁シール３５０の一部が形成されるようにすることができる。その他の実施形態と共にこれらの実施形態については、後に一層完全に説明する。
【００２９】
絶縁シール３５０は、いずれかの単一材料又は幾つかの材料の組合せで製造することができる。一般に、それらの材料には、鋼及び／又はニッケル基合金を含むことができる。具体的には、ＧＴＤ１１１、Ｒｅｎｅ  Ｎ５、Ｌ６０５、Ｘ７５０及びＩＮ−７３８のような購入可能な材料もまた、使用することができる。
【００３０】
例示的なシステム３００の１つの実施形態では、シャンク空洞１４５は、冷却空気により加圧されない。別の実施形態では、シャンク空洞１４５は、冷却空気により加圧することができる。図４は、シャンク空洞１４５がそのように加圧されている１つの例示的な実施形態４００を断面図で示している。図４では、絶縁シール４５０は、シャンク空洞１４５を上方領域４４５及び下方領域４５５に分割することができる。
【００３１】
図４では、冷却空気は、参照符号４０５及び４１０にて供給することができる。冷却空気は、参照符号４１５、４２０、４２５及び４３０のタービンロータホイール空間領域を囲む空気を冷却し続けて、周囲空気を穏やかな温かさとすることができるようにすることができる。加えて、高温空気流が、プラットフォームギャップ１５５を通ってかつ参照符号４６０、４６５及び４７０にてシャンク空洞１４５を横切って、また参照符号４７５、４８０及び４８５にてシャンク空洞１４５の周りを流れ続けることができる。しかしながら、この例示的な実施形態では、絶縁シール４５０がシャンク空洞１４５を上方領域４４５及び下方領域４５５に分割しているので、より高温の空気を上方領域４４５内に含むことができる。このようにより高温の空気を上方領域４４５内に含むようにした結果、幾らかの穏やかな温かさの空気が、参照符号４１６にて示すようにギャップ１５５を通ってかつ下方領域４５５を横切って軸方向に流れ続けることができるとしても、下方領域４５５は、半径方向内表面１２２においてブレードプラットフォーム１２０から放射される熱から熱絶縁シール４５０によって絶縁することができるようになる。その結果、実施形態４００では、先行技術のシステムと比較した時に、より少量の熱が、タービンロータホイール１０５の頂部に伝達されることになる。相対的温度でのこの変化は、図４において僅かに低下したノード４９０によって示している。
【００３２】
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の一部の態様による熱絶縁シールの様々な例示的な実施形態を示している。図５Ａでは、図５００において、本発明の１つの実施形態によるピンシール５０５を示している。ピンシール５０５は、タービンロータブレード１１０内に機械加工した少なくとも１つの輪郭内に嵌合するようにすることができかつシャンク空洞を上方領域及び下方領域に分割することができるピンを含むことができる。ピンシール５０５により、タービンロータブレード１１０間における支持及び振動制御を行なうことができることが分かるであろう。１つの実施形態では、ピンシール５０５は、図１におけるダンパピン１５０と同様なその他の支持構造体に加えて使用することができる。別の実施形態では、ピンシール５０５は、そのような構造体と置換えることができる。
【００３３】
図５Ｂでは、図５２５において、本発明の１つの実施形態によるシェルフシール５３０を示している。シェルフシール５３０は、タービンロータブレード１１０の一部として製造した１つ又はそれ以上のフランジから形成することができる。タービンロータホイール１０５に対して２つのタービンロータブレード１１０を横並びに取付けた時に、それらのフランジが重なり合って１つのエアギャップを形成するようにすることができる。このエアギャップと共に、上方フランジの上方の上方領域及び下方フランジの下方の下方領域も同様に、シャンク空洞内に形成することができる。この実施形態によると、冷却空気によりシャンク空洞を加圧する時におけるエアギャップを介しての上方領域内への冷却空気漏洩の量を制限することができる。
【００３４】
図５Ｃでは、図５５０において、本発明の１つの実施形態によるプレートシール５５５を示している。プレートシール５５５は、タービンロータブレード１１０内に機械加工した１つ又はそれ以上のスロット内に嵌合するようになった平坦かつ平面構造体とすることができる。図５Ｄでは、図５７５において、プレートシール５５５はさらに、本発明のさらに別の実施形態によるプレートシール及びテール組立体５８０であるようにすることができる。この実施形態では、ホイール支柱１４０は、テール組立体５８０を取付けるためのＴ字形スロットを含むようにすることができ、またタービンロータホイール１０５には同様に、前述のスロットを機械加工することができる。両方の実施形態では、プレートシール５５５並びにプレートシール及びテール組立体５８０は、上記したようにシャンク空洞を上方領域及び下方領域に仕切ることができる。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態によると、熱絶縁シールは、カバープレートを含むようにすることができる。図６は、絶縁シール４５０の１つの例示的な実施形態６００を断面で示しており、この場合、シャンク空洞１４５は、冷却空気により加圧され、また絶縁シール４５０はさらに、カバープレート６５０を含むようになっている。図４に示したのと同様に、絶縁シール４５０は、シャンク空洞１４５を上方領域４４５及び下方領域４５５に分割することができる。高温空気流もまた、参照符号６６０、６６５及び６７０にて上方領域４４５を通りシャンク空洞１４５を横切って、また参照符号６７５、６８０及び６８５にてシャンク空洞１４５の周りを流れ続けて、上方領域を下方領域４５５よりも高い作動温度に保つことができる。また図４と同様に、冷却空気は、参照符号６０５及び６１０にて供給することができる。
【００３６】
しかしながら、図４とは異なり、冷却空気は、参照符号６１５、６２０及び６２５のタービンロータホイールの空間領域を囲む空気を冷却し続けて、周囲空気を穏やかな温かさとすることができるようにすることができるが、この穏やかな温かさの空気は、カバープレート６５０によってプラットフォームギャップ１５５を通って軸方向に流れるのを防止することができる。同時に、この穏やかな温かさの空気は、参照符号６１１及び６１２にて示すような専用冷却空気で置換えることができる。従って、ギャップ１５５をシールしかつ冷却空気の専用供給源を使用することによって、下方領域４５５は、絶縁シール４５０のみを使用している場合よりもさらに低い作動温度に維持することができる。ノード６９０で示すように、冷却空気は下方領域４５５内に保持することができるので、実施形態６００におけるタービンロータホイール１０５の頂部に伝達される熱の量は、先行技術のシステムと比較した時に遙かに少なくなる。
【００３７】
この例示的な実施形態では、カバープレートを含むようになった絶縁シールの使用により、ホイール支柱１４０の温度を約７５°Ｆだけ低下させることができる。ホイール支柱１４０及び周囲区域における温度をそのように大きく低下させることにより、それらの構成要素を冷却するために必要となる冷却空気は、より少量となる。その結果、ガスタービン内において本発明の実施形態を使用した場合には、圧縮機から取出すのではなく該圧縮機に対してよりも多くの空気を供給することができる。圧縮機に付加的な空気を供給することによって、エンジンサイクルにおける熱力学的損失が減少し、ガスタービンシステムの全耐効率を増大させることができる。
【００３８】
図７は、複数のタービンロータブレードを支持する１対のホイール支柱つまりシャンクを備えたタービンロータホイールを熱絶縁する例示的な方法を示している。タービンロータホイールによって複数のタービンロータブレードを支持した時に、タービンロータブレードのそれぞれのシャンクつまりホイール支柱間にシャンク空洞が形成される。ブロック７０５において、シャンク空洞を上方領域及び下方領域に仕切るように機能可能である少なくとも１つのシールを準備することができる。
【００３９】
ブロック７１０において、シャンク空洞内にシールを挿入して、下方領域内の温度を上方領域内の温度よりも低い温度に維持することができる。ブロック７１５において、冷却空気の供給源を設けることができ、またブロック７２０において、冷却空気を使用してシャンク空洞を加圧することができる。前述したように、冷却空気でシャンク空洞を加圧することにより、シャンク空洞内への高温空気流を減少させることができ、それによってシャンク空洞及び該シャンク空洞を囲む構成要素と共に空気の作動温度を低下させることができる。
【００４０】
１つの実施形態では、方法７００において使用するシールは、図３に示した絶縁シール３５０とすることができる。他の実施形態では、このシールは、ピンシール５０５、シェルフシール５３０、プレートシール５５５、或いはプレートシール及びテール組立体５８０を含む図５に示したシールの１つ又はそれ以上とすることができる。さらに別の実施形態では、このシールはさらに、カバープレートを含むようにすることができる。カバープレートは、ブレード支柱の一部分を覆うように機能可能とすることができ、またさらに少なくとも１つのカバープレートの一部分の周りにかつシャンク空洞内に冷却空気流を導くように機能可能とすることができる。さらに別の実施形態では、カバープレートはさらに、軸方向シール作用を行なうようにして、高温空気がそれぞれのブレード支柱間に流れるのを防止するようにすることができる。さらに別の実施形態では、絶縁シールは、上記した実施形態の１つ又はそれ以上を含むことができ、またシャンク空洞を複数の領域に仕切ることができる。
【００４１】
本明細書に記載した本発明の多くの修正形態及びその他の実施形態が、以上の説明及び関連する図面において示した教示の利益を有する当業者には想起されるであろう。従って、本発明は、多くの形態で具現化することができまた上記の実施形態に限定されるべきではないことが、当業者には分かるであろう。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではないこと、並びに修正形態及びその他の実施形態が特許請求の範囲の技術的範囲内に含まれるものとなることを意図していることを理解されたい。本明細書では、特殊な用語を使用しているが、それらは、一般的かつ記述的な意味でのみ使用しており、限定を目的とするものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１００  システム
１０５  タービンロータホイール
１１０  タービンロータブレード
１１５  翼形部
１２０  タービンロータブレードプラットフォーム
１２１  半径方向外表面
１２２  半径方向内表面
１２４  前縁
１２５  ロータブレードシャンク
１２６  後縁
１３０  支持ダブテール
１３５  ダブテールスロット
１４０  ホイール支柱
１４５  シャンク空洞
１５０  ダンパピン
１５５  プラットフォームギャップ
１６０  シール本体
１６５  カバープレート
１６６  取付け組立体
２００  断面図
２０５  冷却空気
２１０  冷却空気
２１５  ホイール空間領域
２１６  シャンク空洞空気
２２０  ホイール空間領域
２２５  ホイール空間領域
２３０  ホイール空間領域
２６０  シャンク空洞空気
２６５  シャンク空洞空気
２７０  シャンク空洞空気
２７５  シャンク空洞空気
２８０  シャンク空洞空気
２８５  シャンク空洞空気
２９０  上昇したノード
３００  システム
３４５  上方領域
３５０  絶縁シール
３５５  下方領域
４００  実施形態
４０５  冷却空気
４１０  冷却空気
４１６  シャンク空洞空気
４４５  上方領域
４５０  熱絶縁シール
４５５  下方領域
４６０  シャンク空洞空気
４６５  シャンク空洞空気
４７０  シャンク空洞空気
４７５  シャンク空洞空気
４８０  シャンク空洞空気
４８５  シャンク空洞空気
５００  図
５０５  ピンシール
５２５  図
５３０  シェルフシール
５５０  図
５５５  プレートシール
５７５  図
５８０  テール組立体
６００  実施形態
６０５  冷却空気
６１０  冷却空気
６１１  冷却空気
６１２  冷却空気
６１５  タービンロータホイール空間領域
６２０  タービンロータホイール空間領域
６２５  タービンロータホイール空間領域
６５０  カバープレート
６６０  シャンク空洞空気
６６５  シャンク空洞空気
６７０  シャンク空洞空気
６７５  シャンク空洞空気
６８０  シャンク空洞空気
６８５  シャンク空洞空気  
６９０  ノード
７００  方法
７０５  ブロック
７１０  ブロック
７１５  ブロック
７２０  ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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